电力储能电池关键材料及其构效关系研究

随着我国新能源的快速发展，电力储能技术已成为我国电力发展的一项重要战略技术，但现有的储能电池尚不能完全满足电力储能技术发展的要求，特别是电池的长寿命、低成本、高倍率要求尤为迫切，因此，需要加强针对储能电池电极材料的结构设计和机理分析方面的基础科学问题研究，以此来提升其电化学性能，以满足电力储能系统在不同工况下对储能电池的性能要求。本项目属于化学与材料的交叉领域，聚焦于电化学应用，为了提升电池材料的寿命、倍率要求以及降低储能成本，通过对碳包覆技术的颠覆性改性和对材料本体结构的合理设计与调控，实现了电池性能的提升；同时，对钠离子电池电极材料的研究，为钠离子电池的实际应用提供了技术和理论支持，推进了钠离子电池的实用化进程，进一步降低了储能成本。具体研究内容与成果如下：1、发现了杂原子掺杂与导电碳层之间的内在关系，发展了一项提高碳包覆层导电性的技术，阐明了碳包覆层对锂离子电池和钠离子电池电极材料不同的影响机制.碳包覆是电极材料改性常用的手段之一，通常，碳层的前体是有机化合物，然后通过高温煅烧-碳化过程形成碳层。然而，对于大多数电极材料，合成温度总是低于1000℃，但是在该温度下，碳不能完全石墨化，因此，碳层的导电性低。本项目通过非金属元素硼和氮掺杂碳涂层改善电极材料电子导电性、电化学活性，使得电化学性能得到极大的改善。研究发现，非金属元素掺杂对锂离子和钠离子电池的电极材料影响机理完全不同：（1）将硼元素引入碳包覆层，对于锂离子电池电极材料，提高了碳包覆层的电子导电性是关键因素；（2）将氮元素引入碳包覆层，对于钠离子电池电极材料，在碳层生成了大量的缺陷是关键因素。2、揭示了电极材料的微观结构与离子扩散、应力释放之间的关系，通过对材料的结构调控实现了材料的高倍率充放、长寿命循环。本项目中，通过对二氧化锰、锰酸锂等电极材料结构设计，发现了有序多孔和中空电极结构可有效避免材料的团聚，稳定并扩大了离子扩散的通道，改善了锂脱嵌的动力学，同时有效减弱了在充放电过程中，电极材料体积变化带来的不可逆影响，从而实现了快速充放，为电网瞬间并网提供了可靠的电池材料选择。3、为了提升电极材料本体结构的稳定性，首次将惰性原子引入材料晶格，发现惰性非活性原子极大地稳定了材料晶体结构：离子掺杂和结构设计是提高电极材料性能的常用手段，本项目通过对三元锂离子电池正极材料进行镁掺杂，扩大层间距，稳定了材料的结构，使锂离子的嵌入脱出更加容易，显著提升了材料的倍率性能和循环稳定性。 本项目历时十年，累计发表SCI论文34篇，合计被引2101次。其中所选的8篇代表作，包括Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Chemistry of Materials，ACS Applied Materials & Interfaces.，Electrochim. Acta，Journal of Power Sources，等，共被SCI他引818次，单篇最高他引163次，相关成果被Materials views-China作为Energy storage亮点工作进行了报道。因在该领域的贡献，第一完成人被选为教育部“新世纪优秀人才”，第二完成人获得国家自然科学杰出青年基金资助并担任中国电化学委员会主任，第四完成人获得国务院政府特殊津贴。